随着节能标准和客户需求的不断提高，电源解决方案的效率和尺寸也在不断优化，设计紧凑高效的 PFC 电源是一个复杂的开发挑战。随着第三代半导体器件氮化镓和碳化硅的大范围应用，图腾柱无桥 PFC（TPPFC）应用获得极大的拓展。相比于传统的有桥 PFC 拓扑，图腾柱无桥 PFC 具有许多优点：它具有更低的开关损耗、更高的效率以及极具竞争力的小体积，能够满足严格的效率标准要求，适用于极致紧凑小巧的电源应用。然而，图腾柱无桥 PFC 电路由于没有桥堆的阻隔和保护，输入交流电直接施加在图腾柱拓扑的开关管上，电源系统非常容易受到过电流、浪涌过电压、输入电压跌落等故障的损害，很难满足安全性和各类保护功能要求，电源工程师们对图腾柱无桥 PFC 拓扑既喜欢又不敢靠近。
为了实现图腾柱无桥 PFC 的高效要求并克服它带来的各种挑战，慧能泰推出了业界首款图腾柱无桥 PFC 专用数字控制器 HP1010，其数字架构基于高速数字状态机架构，并集成了高性能模拟前端以及高速比较器，确保了图腾柱无桥 PFC 的高性能实时控制。HP1010 提供的逐周期限流保护 (CBC) 可有效避免因电源电压异常波动过程中引起的过电流问题，浪涌电压保护功能可以使在浪涌过电压尤其是正半周反向雷击、负半周正向雷击时快速关断慢速同步整流管，有效增强图腾柱无桥 PFC 的稳定性和可靠性。此外，HP1010 还集成了丰富的可编程保护功能，包括：输入电压过压/欠压保护、输出电压过压/欠压保护、输出反馈电压开路保护等，保护功能参数与使能均可独立配置。
HP1010 具备智能切换模式（CCM、DCM和Burst Mode），以适应不同负载条件下的需求，并实现良好的轻载效率。HP1010 支持开关频率延展功能，可以有效提升图腾柱无桥 PFC 电源系统的电磁干扰（EMI）性能。仅需通过图形用户界面（GUI）软件即可对芯片功能进行设定以满足新方案的需求，加速产品设计和上市时间。
作为业界首颗图腾柱无桥 PFC 数模混合专用控制器，灵活的设计特点，使其可广泛应用云计算/服务器电源、高性能计算机、5G/电信电源、工业电源、超高密度 (UHD) 电源等电源系统。
图一 HP1010 引脚定义和封装图
芯片特性
• 高灵活度数字 PWM, 灵活可选的 20 kHz – 200 kHz 工作频率
• 25 MHz ADC 高性能模拟前端
• 高性能数字控制环路
• 平滑的交流过零控制
• 开关频率延展改善 EMI
• CCM、DCM 以及 Burst 多模式工作
• 快速环路响应
• 支持高压直流输入
• RMS 功率计量
• 智能继电器控制，浪涌电流控制
• X 电容器放电控制
• 全面的故障保护，包括逐周期限流保护、浪涌过电压保护、输入电压跌落与恢复等
• 低功耗, 在睡眠模式（Sleep Mode）下芯片供电电流低至 1mA
• I2C 和 UART 接口，通过易于使用的图形用户界面 (GUI) 进行编程
• 4 mm x 4 mm QFN-24L 封装
HP1010 采用 4 mm x 4 mm QFN-24L 封装，集成高速 ADC、比较器等高性能模拟前端，外围电路精简，整体方案紧凑，占用 PCB 面积小，节省电路板空间，有效降低 BOM 成本。
图二 HP1010 典型应用电路图
采用基于 HP1010 的图腾柱无桥 PFC 参考设计可实现最高转换效率达 99%。
图三 600 W 图腾柱 PFC 评估板效率曲线
独有的图腾柱无桥 PFC 快管电流互感器采样电路，并配置可编程 cycle-by-cycle（CBC）硬件逐周期电流保护，并可以选择多次触发逐周期电流保护后关闭电源、自动复位或断电复位。通过图形用户界面（GUI）即可对芯片进行配置、实现功率板实时调试。
图四 HP1010 图形用户界面（GUI）
过零点可编程开环软起动：
过零点可编程配置各类参数，以适配不同参数的慢管，优化慢管中点电压释放过程。可编程继电器闭合延迟时间，可完美适配市面上不同性能的继电器。
图五 平滑的 AC 过零控制
交流输入电压跌落防电流倒灌：
得益于高速数字交流电压直接前馈，使占空比大信号实时跟踪输入电压变化，同时检测到输入电压跌落时 HP1010 立即关断图腾柱 PFC 快速同步整流管，有效防止输入电流倒灌，典型的波形如下图所示。
图六 (左)电源电压 45° 跌落持续 2 ms；(右)电源电压 0° 跌落持续 10 ms
抗雷击保护：
由于雷击波电压上升速度快，并随机地同相或反相地叠加到 AC 电压上，HP1010 控制器必须快速测出输入电压极性并做相应的控制调整，否则容易损坏后级电路。HP1010 对雷击的快速检测，能稳定而有效地应对这种特殊场景，减小或消除雷电波对开关管的冲击。下图为实测模拟雷击的响应波形：
图七 电源正半周负向雷击
图八 电源负半周正向雷击
PF 以及 THD 测试:
下图分别展示了 115 VAC、230 VAC 输入、全负载范围条件下，HP1010 的 PF、THD 测试结果。从曲线可以看出采用 HP1010 方案实现了较低的总谐波失真(THD)：
图九 600 W 评估板的 PF 曲线
图十 600W 评估板的 THD 曲线
慧能泰同步推出了 HP1010 600 W 的评估板。该评估板基本参数如下：
• 输入电压范围：90 ~ 264 VAC
• 输出电压: 400 VDC
• 输出功率：600 W
• 典型效率：98.7%
图十一 采用 HP1010的 600 W 评估板
HP3600 是慧能泰 HySwitch 产品系列下的一款双通道隔离驱动器，与 HP1010 搭配可形成图腾柱 PFC 的系统解决方案。
图十二 HP3600 引脚定义和封装图
HP3600 具有峰值 4 A 灌电流和 6 A 拉电流，150 kV/μs 高共模瞬变抗扰度 CMTI 以及低至 48 ns 的传播延迟。VDDA/VDDB 最高支持 33 V；VDDI 支持 3 至 18 V 宽范围输入，可以适应模拟和数字控制器接口。所有电源引脚都具备欠压锁定 UVLO 保护功能，保护门限为 3 V，适用于 GaN MOSFET 的隔离驱动应用。
HP1010+HP3600 方案的推出，是慧能泰对极致紧凑小巧的电源应用里程碑式的创新，未来我们将继续坚持“芯智慧 芯能源，共建绿色未来”的企业理念，提供更高效，节能的电源应用产品，助力双碳目标的实现，对推进经济社会全面绿色发展做贡献！
